物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)課件

1物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)

1物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)學(xué)習(xí)任務(wù)傳感器的概念

傳感器的基本組成及檢測原理

常用傳感器的工作特點和應(yīng)用123智能檢測系統(tǒng)

4MEMS技術(shù)

5學(xué)習(xí)任務(wù)傳感器的概念傳感器的基本組成及檢測原理常用傳感器傳感器作為信息獲取的重要手段，與通信技術(shù)和計算機技術(shù)共同構(gòu)成信息技術(shù)的三大支柱。傳感器作為信息獲取的重要手段，與通信技術(shù)和計算機技術(shù)共同構(gòu)成傳感器是各種信息處理系統(tǒng)獲取信息的一個重要途徑，處于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的感知層，是物聯(lián)網(wǎng)中獲得信息的主要設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)的神經(jīng)元、人類五官的延伸。傳感器是各種信息處理系統(tǒng)獲取信息的一個重要途徑，處于物聯(lián)網(wǎng)架傳感器是物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)單元，是物聯(lián)網(wǎng)信息采集層面的關(guān)鍵器件。同時，MEMS（微電機系統(tǒng)）、MOEMS（微光機電系統(tǒng)）將成為物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)核心，使無線傳感網(wǎng)、光網(wǎng)快速加入物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用系統(tǒng)，提供更明確的應(yīng)用方向和更豐富的市場機會，物聯(lián)網(wǎng)也將成為傳感器市場的新引擎。實際生活中，傳感器無處不在傳感器是物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)單元，是物聯(lián)網(wǎng)信息采集層面的關(guān)鍵器件。同1.1傳感器的概念全自動洗衣機——濁度傳感器自動沖水裝置——光電傳感器和電子系統(tǒng)遙控器——紅外傳感器汽車——是個傳感器俱樂部：溫度、空氣流量、壓力、轉(zhuǎn)速、位移、水位、曲軸、防抱死制動系統(tǒng)（ABS）、爆震、里程表等多種傳感器1.1傳感器的概念全自動洗衣機——濁度傳感器1.1傳感器的概念話筒——在彈性膜片后面粘接一個輕小的金屬線圈，線圈處于永磁體的磁場中，構(gòu)成一種動圈式的傳感器聲控?zé)簟獕弘妭鞲衅魇謾C的觸摸屏——點觸摸、面觸摸等數(shù)碼產(chǎn)品——MP3、手機等聽歌時，用力一搖就換成了下一曲，這就用到了加速度傳感器1.1傳感器的概念話筒——在彈性膜片后面粘接一個輕小的金1.1傳感器的概念電飯鍋——溫度傳感器電熨斗——另一種溫度傳感器光電鼠標(biāo)——光學(xué)傳感器+圖像分析芯片（DSP）汽車稱重——壓力傳感器電子天平——壓力傳感器+電子系統(tǒng)電子溫度計——紅外傳感器1.1傳感器的概念電飯鍋——溫度傳感器1.1傳感器的概念各種傳感器層出不窮，2009年全球用量用量達13億；2010年用于手機的有10多億，用于汽車市場的有420萬；2013年汽車市場用量達到1460萬。中國傳感器年增15%，未來年用量將超萬億。1.1傳感器的概念各種傳感器層出不窮，2009年全球用量1.1傳感器的概念傳感器是把非電學(xué)物理量（如位移、速度、壓力、溫度、濕度、流量、聲強、光照度等）轉(zhuǎn)換成易于測量、傳輸、處理的電學(xué)量（如電壓、電流、電容等）的一種元件。在實際應(yīng)用中，傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和測量電路三部分組成，有時還加上輔助電源。按國家標(biāo)準(zhǔn)（GB7665-2005）對傳感器的定義為：能感受被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。人類五官延伸——人與機器的對應(yīng)關(guān)系1.1傳感器的概念傳感器是把非電學(xué)物理量（如位移、速度、1.2傳感器的基本組成及檢測原理敏感元件是指傳感器中能直接感受或響應(yīng)被測量的部分，它直接感受被測非電學(xué)量，輸出與被輸出有確定對應(yīng)關(guān)系的，轉(zhuǎn)換元件所能接受的其他物理量，如膜片或膜盒把被測壓力變成位移量。敏感元件是傳感器的核心。1.2傳感器的基本組成及檢測原理敏感元件是指傳感器中能1.2傳感器的基本組成及檢測原理需要指出，并不是所有的傳感器都能明顯地區(qū)分敏感元件和轉(zhuǎn)換元件兩部分，有些傳感器轉(zhuǎn)換元件不止一個，有些傳感器（如熱電偶）將敏感元件和轉(zhuǎn)換元件合為一體。測量電路是將轉(zhuǎn)換元件輸出的信號進一步地轉(zhuǎn)換和處理，如放大、濾波、線性化、補償?shù)?，以獲得更好的品質(zhì)特性。1.2傳感器的基本組成及檢測原理需要指出，并不是所有的1.2傳感器的基本組成及檢測原理電源是可選項，主要負(fù)責(zé)為敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和測量電路供電。無源型是最簡單、最基本的傳感器構(gòu)成形式，它只由敏感元件單獨組成。輸入量多為力學(xué)量（力、濕度、速度、加速度），輸出量一般是電學(xué)量。最大特點是還需要外接電源，其敏感元件能夠從被測對象直接獲取能量，并將能量轉(zhuǎn)換為電量，但一般輸出量較弱，如熱電偶傳感器、壓力傳感器等通常是無源傳感器。1.2傳感器的基本組成及檢測原理電源是可選項，主要負(fù)責(zé)1.2傳感器的基本組成及檢測原理有源型通常建立在無源型的基礎(chǔ)上，它與無源型的不同之處在于為了確保敏感元件的工作點穩(wěn)定，使用了輔助能源。輔助能源主要起激勵作用，它既可以是電源，也可以是磁源。有源傳感器的特點是，不需要測量電路即可有較大的電量輸出，如光電管、光敏二極管、霍爾傳感器等。1.2傳感器的基本組成及檢測原理有源型通常建立在無源型1.3常用傳感器的工作特點和應(yīng)用傳統(tǒng)傳感器的局限性網(wǎng)絡(luò)化、智能化的程度十分有限，缺少有效的數(shù)據(jù)處理與信息共享能力現(xiàn)代傳感器特點：微型化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化典型代表：無線傳感節(jié)點1.3常用傳感器的工作特點和應(yīng)用傳統(tǒng)傳感器的局限性1.3常用傳感器的工作特點和應(yīng)用1.溫度傳感器熱敏電阻主要是利用各種材料電阻率的溫度敏感性，根據(jù)材料的不同，熱敏電阻可以用于設(shè)備的過熱保護，以及溫控報警等等。半導(dǎo)體溫度傳感器利用半導(dǎo)體器件的溫度敏感性來測量溫度，具有成本低廉，線性度好等優(yōu)點。1.3常用傳感器的工作特點和應(yīng)用1.溫度傳感器1.3常用傳感器的工作特點和應(yīng)用溫差電偶則是利用溫差電現(xiàn)象，把被測端的溫度轉(zhuǎn)化為電壓和電流的變化；由不同金屬材料構(gòu)成的溫差電偶，能夠在比較大的范圍內(nèi)測量溫度，例如-200℃~2000℃。1.3常用傳感器的工作特點和應(yīng)用溫差電偶則是利用溫差電現(xiàn)1.3常用傳感器的工作特點和應(yīng)用2.光傳感器光傳感器可以分為光敏電阻以及光電傳感器兩個大類。光敏電阻主要利用各種材料的電阻率的光敏感性來進行光探測。1.3常用傳感器的工作特點和應(yīng)用2.光傳感器1.3常用傳感器的工作特點和應(yīng)用2.光傳感器光電傳感器主要包括光敏二極管和光敏三極管，這兩種器件都是利用半導(dǎo)體器件對光照的敏感性。光敏二極管的反向飽和電流在光照的作用下會顯著變大，而光敏三極管在光照時其集電極、發(fā)射極導(dǎo)通，類似于受光照控制的開關(guān)。此外，為方便使用，市場上出現(xiàn)了把光敏二極管和光敏三極管與后續(xù)信號處理電路制作成一個芯片的集成光傳感器。光敏電阻結(jié)構(gòu)圖與實物光敏三極管集成光傳感器1.3常用傳感器的工作特點和應(yīng)用2.光傳感器光敏電阻結(jié)構(gòu)1.3常用傳感器的工作特點和應(yīng)用3.壓力傳感器壓力傳感器是通過測量目標(biāo)沿地面所產(chǎn)生的壓力變化來發(fā)現(xiàn)和測定目標(biāo)的偵察設(shè)備。其種類有：應(yīng)變鋼絲傳感器、平衡壓力傳感器、振動/磁性電纜傳感器、駐極體電纜和光纖壓力傳感器等。常見的壓力傳感器在受到外部壓力時會產(chǎn)生一定的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變形或位移，進而轉(zhuǎn)化為電特性的改變，產(chǎn)生相應(yīng)的電信號。1.3常用傳感器的工作特點和應(yīng)用3.壓力傳感器1.3常用傳感器的工作特點和應(yīng)用Honeywell24PC壓力傳感器及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)一種車用電容式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖及實物圖1.3常用傳感器的工作特點和應(yīng)用Honeywell241.3常用傳感器的工作特點和應(yīng)用4.濕度傳感器濕度傳感器主要包括電阻式和電容式兩個類別。電阻式濕度傳感器也稱為濕敏電阻，利用氯化鋰、碳、陶瓷等材料的電阻率的濕度敏感性來探測濕度。電容式濕度傳感器也稱為濕敏電容，利用材料的介電系數(shù)的濕度敏感性來探測濕度。1.3常用傳感器的工作特點和應(yīng)用4.濕度傳感器1.3常用傳感器的工作特點和應(yīng)用4.濕度傳感器一種電阻式陶瓷濕敏傳感器結(jié)構(gòu)圖一種電容式濕敏傳感器結(jié)構(gòu)圖幾種濕度傳感器1.3常用傳感器的工作特點和應(yīng)用4.濕度傳感器一種電阻式1.3常用傳感器的工作特點和應(yīng)用5.霍爾（磁性）傳感器霍爾傳感器是利用霍爾效應(yīng)制成的一種磁性傳感器?；魻栃?yīng)是指：把一個金屬或者半導(dǎo)體材料薄片置于磁場中，當(dāng)有電流流過時，由于形成電流的電子在磁場中運動而受到磁場的作用力，會使得材料中產(chǎn)生與電流方向垂直的電壓差?？梢酝ㄟ^測量霍爾傳感器所產(chǎn)生的電壓的大小來計算磁場的強度。1.3常用傳感器的工作特點和應(yīng)用5.霍爾（磁性）傳感器1.3常用傳感器的工作特點和應(yīng)用霍爾效應(yīng)1.3常用傳感器的工作特點和應(yīng)用霍爾效應(yīng)1.3常用傳感器的工作特點和應(yīng)用霍爾傳感器結(jié)合不同的結(jié)構(gòu)，能夠間接測量電流、振動、位移、速度、加速度、轉(zhuǎn)速等等，具有廣泛的應(yīng)用價值。1.3常用傳感器的工作特點和應(yīng)用霍爾傳感器結(jié)合不同的結(jié)構(gòu)1.3常用傳感器的工作特點和應(yīng)用各種霍爾傳感器1.3常用傳感器的工作特點和應(yīng)用各種霍爾傳感器1.3常用傳感器的工作特點和應(yīng)用6.圖像傳感器——CCD電荷耦合器件工作特點CCD（ChargeCoupledDevice）是電荷藕合器件圖像傳感器。它使用一種高感光度的半導(dǎo)體材料制成，能把光線轉(zhuǎn)變成電荷，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，數(shù)字信號經(jīng)過壓縮以后由相機內(nèi)部的閃速存儲器或內(nèi)置硬盤卡保存，因而可以輕而易舉地把數(shù)據(jù)傳輸給計算機，并借助于計算機的處理手段，根據(jù)需要和想像來修改圖像。CCD由許多感光單位組成，通常以百萬像素為單位。1.3常用傳感器的工作特點和應(yīng)用6.圖像傳感器——CCD1.3常用傳感器的工作特點和應(yīng)用當(dāng)CCD表面受到光線照射時，每個感光單位會將電荷反映在組件上，所有的感光單位所產(chǎn)生的信號加在一起，就構(gòu)成了一幅完整的畫面。CCD和傳統(tǒng)底片相比，CCD更接近于人眼對視覺的工作方式。只不過，人眼的視網(wǎng)膜是由負(fù)責(zé)光強度感應(yīng)的桿細胞和色彩感應(yīng)的錐細胞，分工合作組成視覺感應(yīng)。CCD經(jīng)過長達35年的發(fā)展，大致的形狀和運作方式都已經(jīng)定型。CCD的組成主要是由一個類似馬賽克的網(wǎng)格、聚光鏡片以及墊于最底下的電子線路矩陣所組成。1.3常用傳感器的工作特點和應(yīng)用當(dāng)CCD表面受到光線照1.3常用傳感器的工作特點和應(yīng)用目前數(shù)碼相機的核心成像部件有兩種：一種是廣泛使用的CCD（電荷藕合）元件；另一種是CMOS（互補金屬氧化物導(dǎo)體）器件。1.3常用傳感器的工作特點和應(yīng)用目前數(shù)碼相機的核心成像部1.3常用傳感器的工作特點和應(yīng)用7.無線傳感器應(yīng)用典型案例2002年，由英特爾的研究小組和加州大學(xué)伯克利分校以及巴港大西洋大學(xué)的科學(xué)家把無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于監(jiān)視大鴨島海鳥的棲息情況。研究人員采用包括光、濕度、氣壓計、紅外傳感器、攝像頭在內(nèi)的近10種傳感器類型數(shù)百個節(jié)點，系統(tǒng)通過自組織無線網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)到傳輸?shù)?00英尺外的基站計算機內(nèi)，再由此經(jīng)衛(wèi)星傳輸至加州的服務(wù)器。在那之后，全球的研究人員都可以通過互聯(lián)網(wǎng)察看該地區(qū)各個節(jié)點的數(shù)據(jù)，掌握第一手的環(huán)境資料，為生態(tài)環(huán)境研究者提供了一個極為有效便利的平臺。大鴨島生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)1.3常用傳感器的工作特點和應(yīng)用7.無線傳感器應(yīng)用典型案1.4智能檢測系統(tǒng)1.4.1智能檢測系統(tǒng)的組成及特征智能傳感器（smartsensor）是一種具有一定信息處理能力的傳感器，目前多采用把傳統(tǒng)的傳感器與微處理器結(jié)合的方式來制造。智能傳感器組成1.4智能檢測系統(tǒng)1.4.1智能檢測系統(tǒng)的組成及特征智1.4智能檢測系統(tǒng)1.4.1智能檢測系統(tǒng)的組成及特征上圖所示，在傳統(tǒng)的傳感器構(gòu)成的應(yīng)用系統(tǒng)中，傳感器所采集的信號通常要傳輸?shù)较到y(tǒng)中的主機中進行分析處理；而由智能傳感器構(gòu)成的應(yīng)用系統(tǒng)中，其包含的微處理器MCU（MicroControllerUnit，單片微型計算機）能夠?qū)Σ杉男盘栠M行分析處理，然后把處理結(jié)果發(fā)送給系統(tǒng)中的主機。智能傳感器能夠顯著減小傳感器與主機之間的通信量，并簡化了主機軟件的復(fù)雜程度，使得包含多種不同類別的傳感器應(yīng)用系統(tǒng)易于實現(xiàn)；此外，智能傳感器常常還能進行自檢、診斷和校正。1.4智能檢測系統(tǒng)1.4.1智能檢測系統(tǒng)的組成及特征1.4智能檢測系統(tǒng)1.4.2常用智能檢測系統(tǒng)的設(shè)計1.智能壓力傳感器圖中顯示的是Honeywell（美國霍尼韋爾）公司開發(fā)的PPT系列智能壓力傳感器的外形以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)。PPT系列智能壓力傳感器傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)1.4智能檢測系統(tǒng)1.4.2常用智能檢測系統(tǒng)的設(shè)計PP1.4智能檢測系統(tǒng)2.智能溫濕度傳感器圖中顯示的是Sensirion（瑞士盛世瑞恩）公司推出的SHT11/15溫濕度智能傳感器的外形、引腳以及內(nèi)部框圖。1.4智能檢測系統(tǒng)2.智能溫濕度傳感器1.4智能檢測系統(tǒng)3.智能液體渾濁度傳感器圖中顯示的是Honeywell公司推出的AMPS-10G型智能液體渾濁度傳感器的外形、測量原理以及內(nèi)部框圖。1.4智能檢測系統(tǒng)3.智能液體渾濁度傳感器1.4智能檢測系統(tǒng)智能傳感器的結(jié)構(gòu)可以是集成的，也可以是分離式，按結(jié)構(gòu)可以分為集成式、混合式和模塊式三種形式。集成智能傳感器是將一個或多個敏感元件與微處理器、信號處理電路集成在同一個硅片上，集成度高、體積小。這種集成的傳感器在目前的技術(shù)水平下還很難實現(xiàn)。將傳感器和微處理器、信號處理電路做在不同的芯片上，則構(gòu)成混合式的智能傳感器（HybridSmartSensor），目前這種結(jié)構(gòu)比較多。初級的智能傳感器也可以由許多相互獨立的模塊組成，如將微處理器、信號調(diào)理電路模塊、輸出電路模塊、顯示電路模塊和傳感器裝配在同一殼體內(nèi)，體積較大，但在目前的技術(shù)水平下，仍不失為一種實用的結(jié)構(gòu)形式。1.4智能檢測系統(tǒng)智能傳感器的結(jié)構(gòu)可以是集成的，也可以是1.5MEMS技術(shù)微機電系統(tǒng)的英文名稱是MicroElectroMechanicalSystems，簡稱MEMS，是一種由微電子、微機械部件構(gòu)成的微型器件，多采用半導(dǎo)體工藝加工。概念始于20世紀(jì)80年代末。它一般泛指特征尺度在亞微米毫米范圍的裝置。MEMS是由微加工技術(shù)制備，特征結(jié)構(gòu)在微米尺度（1μm~0.1mm范圍）的，集成有微傳感器、微致動器、微電子信號處理與控制電路等部件的微型系統(tǒng)。其中微傳感器獲取外部信息，微電子信號處理與控制電路處理信息并作出決策，微致動器執(zhí)行決策。1.5MEMS技術(shù)微機電系統(tǒng)的英文名稱是MicroE1.5MEMS技術(shù)

MEMS技術(shù)是一種全新的，必須同時考慮多種物理場混合作用的研發(fā)領(lǐng)域。完整的MEMS是由微傳感器、微執(zhí)行器、信號處理和控制電路、通信接口和電源等部件組成的一體化的微型器件系統(tǒng)。其目標(biāo)是把信息的獲取、處理和執(zhí)行集成在一起，組成具有多功能的微型系統(tǒng)，并集成于大尺寸系統(tǒng)中，從而大幅度地提高系統(tǒng)的自動化、智能化和可靠性水平。1.5MEMS技術(shù)MEMS技術(shù)是一種全新的，必須同時考1.5MEMS技術(shù)

1.5.1MEMS特點及應(yīng)用由于MEMS的體積小、集成度高、功能靈活而強大，使人類的操作、加工能力延伸到微米級空間。系統(tǒng)具有微小的質(zhì)量和消為耗，微小的尺寸，通常還為MEMS器件帶來更高的靈敏度和更好的動態(tài)特性。80%以上的MEMS采用硅微工藝進行制作，使其具有大批量生產(chǎn)模式，制造成本因而得以大大降低。在單一芯片內(nèi)實現(xiàn)機電集成也是MEMS獨有的特點。1.5MEMS技術(shù)1.5.1MEMS特點及應(yīng)用1.5MEMS技術(shù)

1.5.1MEMS特點及應(yīng)用基于MEMS技術(shù)制作的微傳感器、微執(zhí)行器、微型構(gòu)件、微機械光學(xué)器件、真空微電子器件、電力電子器件等在航空、航天、汽車、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)控、軍事以及幾乎人們所接觸到的所有領(lǐng)域中都有著十分廣闊的應(yīng)用前景。MEMS技術(shù)正發(fā)展成為一個巨大的產(chǎn)業(yè)，就像近20年來微電子產(chǎn)業(yè)和計算機產(chǎn)業(yè)給人類帶來的巨大變化一樣，MEMS也正在孕育一場深刻的技術(shù)變革并對人類社會產(chǎn)生新一輪的影響。1.5MEMS技術(shù)1.5.1MEMS特點及應(yīng)用1.5MEMS技術(shù)

1.5.1MEMS特點及應(yīng)用目前MEMS市場的主導(dǎo)產(chǎn)品為壓力傳感器、加速度計、微陀螺儀、墨水噴咀和硬盤驅(qū)動頭等。大多數(shù)工業(yè)觀察家預(yù)測，未來5年MEMS器件的銷售額將呈迅速增長之勢，年平均增加率約為18%，因此對機械電子工程、精密機械及儀器、半導(dǎo)體物理等學(xué)科的發(fā)展提供了極好的機遇和嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。1.5MEMS技術(shù)1.5.1MEMS特點及應(yīng)用1.5MEMS技術(shù)

1.5.2常用的MEMS傳感器1.微機電壓力傳感器微機械壓力傳感器是最早開發(fā)研制的微機械產(chǎn)品，也是為機械技術(shù)中最成熟、最早開始產(chǎn)業(yè)化的產(chǎn)品。從信號檢測方式來看，微機械壓力傳感器分為壓阻式和電容式兩類，分別以微機械加工技術(shù)和犧牲層技術(shù)為基礎(chǔ)制造。從敏感膜結(jié)構(gòu)來看有圓形、方形、E形等多種結(jié)構(gòu)。目前，壓阻式傳感器的精度可達0.05%~0.01%,年穩(wěn)定性達0.1%/F·S（位移測量精度），溫度誤差為0.0002%，耐壓可達幾百兆帕，過電壓保護范圍可達傳感器量程的20倍以上，并能進行大范圍下的全溫補償。1.5MEMS技術(shù)1.5.2常用的MEMS傳感器1.5MEMS技術(shù)圖示為某輪胎壓力傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及外觀圖。該壓力傳感器利用了傳感器中的硅應(yīng)變電阻在壓力作用下發(fā)生形變而改變了電阻來測量壓力；測試時使用了傳感器內(nèi)部集成的測量電橋。MEMS壓力傳感器結(jié)構(gòu)傳感器中集成的測量電橋傳感器外形1.5MEMS技術(shù)圖示為某輪胎壓力傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及外1.5MEMS技術(shù)2.微機電加速度傳感器微機電加速度傳感器是繼微壓力傳感器之后，第二個進入市場的微機械傳感器。主要通過半導(dǎo)體工藝在硅片中加工出可以在加速運動中發(fā)生形變的結(jié)構(gòu)，并且能夠引起電特性的改變，如變化的電阻和電容。1.5MEMS技術(shù)2.微機電加速度傳感器1.5MEMS技術(shù)3.微機電氣體流速傳感器圖中的氣體流速傳感器可以用于空調(diào)等設(shè)備的監(jiān)測與控制。圖中也給出氣流感應(yīng)溫度分布特征。氣體流速傳感器顯微照片有氣流時的溫度分布氣體流速傳感器結(jié)構(gòu)圖無氣流時的溫度分布1.5MEMS技術(shù)3.微機電氣體流速傳感器氣體流速傳感1.5MEMS技術(shù)4.微機械陀螺儀陀螺儀也稱為角速度傳感器，是用來測量物體旋轉(zhuǎn)快慢的傳感器。它在運輸系統(tǒng)，例如導(dǎo)航、剎車調(diào)節(jié)控制和加速度等方面有很多應(yīng)用。按照制作原理及結(jié)構(gòu)可將其大致分為機械式陀螺儀、光學(xué)陀螺儀、微機械陀螺儀三類。微機械陀螺儀（MEMSGyroscope）主要有轉(zhuǎn)子式、振動式微機械陀螺儀和微機械加速度計陀螺儀三種。目前，MEMS陀螺儀基本都是振動式的。1.5MEMS技術(shù)4.微機械陀螺儀1.5MEMS技術(shù)一種采用超小LGA封裝的多軸陀螺儀1.5MEMS技術(shù)一種采用超小LGA封裝的多軸陀螺儀1.5MEMS技術(shù)陀螺儀能夠測量沿一個軸或幾個軸運動的角速度，而MEMS加速計則能測量線性加速度，因此這兩者是一對理想的互補技術(shù)。事實上，如果組合使用加速計和陀螺儀這兩種傳感器，系統(tǒng)設(shè)計人員可以跟蹤并捕捉三維空間的完整運動，為最終用戶提供現(xiàn)場感更強的用戶使用體驗、精確的導(dǎo)航系統(tǒng)以及其它功能。例如被用在iPhone中，通過對旋轉(zhuǎn)時運動的感知，iPhone可以自動地改變橫豎屏顯示，以便消費者能夠以合適的水平和垂直視角看到完整的頁面或者數(shù)字圖片。1.5MEMS技術(shù)陀螺儀能夠測量沿一個軸或幾個軸運動的角1.5MEMS技術(shù)三軸陀螺儀和距離感應(yīng)器應(yīng)用于數(shù)字圖片1.5MEMS技術(shù)三軸陀螺儀和距離感應(yīng)器應(yīng)用于數(shù)字圖片列舉智能樓宇、智能家居中的傳感器，并作詳細介紹。列舉智能樓宇、智能家居中的傳感器，并作詳細介紹。SeeYou!SeeYou!1物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)

1物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)學(xué)習(xí)任務(wù)傳感器的概念

傳感器的基本組成及檢測原理

常用傳感器的工作特點和應(yīng)用123智能檢測系統(tǒng)

4MEMS技術(shù)

5學(xué)習(xí)任務(wù)傳感器的概念傳感器的基本組成及檢測原理常用傳感器傳感器作為信息獲取的重要手段，與通信技術(shù)和計算機技術(shù)共同構(gòu)成信息技術(shù)的三大支柱。傳感器作為信息獲取的重要手段，與通信技術(shù)和計算機技術(shù)共同構(gòu)成傳感器是各種信息處理系統(tǒng)獲取信息的一個重要途徑，處于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的感知層，是物聯(lián)網(wǎng)中獲得信息的主要設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)的神經(jīng)元、人類五官的延伸。傳感器是各種信息處理系統(tǒng)獲取信息的一個重要途徑，處于物聯(lián)網(wǎng)架傳感器是物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)單元，是物聯(lián)網(wǎng)信息采集層面的關(guān)鍵器件。同時，MEMS（微電機系統(tǒng)）、MOEMS（微光機電系統(tǒng)）將成為物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)核心，使無線傳感網(wǎng)、光網(wǎng)快速加入物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用系統(tǒng)，提供更明確的應(yīng)用方向和更豐富的市場機會，物聯(lián)網(wǎng)也將成為傳感器市場的新引擎。實際生活中，傳感器無處不在傳感器是物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)單元，是物聯(lián)網(wǎng)信息采集層面的關(guān)鍵器件。同1.1傳感器的概念全自動洗衣機——濁度傳感器自動沖水裝置——光電傳感器和電子系統(tǒng)遙控器——紅外傳感器汽車——是個傳感器俱樂部：溫度、空氣流量、壓力、轉(zhuǎn)速、位移、水位、曲軸、防抱死制動系統(tǒng)（ABS）、爆震、里程表等多種傳感器1.1傳感器的概念全自動洗衣機——濁度傳感器1.1傳感器的概念話筒——在彈性膜片后面粘接一個輕小的金屬線圈，線圈處于永磁體的磁場中，構(gòu)成一種動圈式的傳感器聲控?zé)簟獕弘妭鞲衅魇謾C的觸摸屏——點觸摸、面觸摸等數(shù)碼產(chǎn)品——MP3、手機等聽歌時，用力一搖就換成了下一曲，這就用到了加速度傳感器1.1傳感器的概念話筒——在彈性膜片后面粘接一個輕小的金1.1傳感器的概念電飯鍋——溫度傳感器電熨斗——另一種溫度傳感器光電鼠標(biāo)——光學(xué)傳感器+圖像分析芯片（DSP）汽車稱重——壓力傳感器電子天平——壓力傳感器+電子系統(tǒng)電子溫度計——紅外傳感器1.1傳感器的概念電飯鍋——溫度傳感器1.1傳感器的概念各種傳感器層出不窮，2009年全球用量用量達13億；2010年用于手機的有10多億，用于汽車市場的有420萬；2013年汽車市場用量達到1460萬。中國傳感器年增15%，未來年用量將超萬億。1.1傳感器的概念各種傳感器層出不窮，2009年全球用量1.1傳感器的概念傳感器是把非電學(xué)物理量（如位移、速度、壓力、溫度、濕度、流量、聲強、光照度等）轉(zhuǎn)換成易于測量、傳輸、處理的電學(xué)量（如電壓、電流、電容等）的一種元件。在實際應(yīng)用中，傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和測量電路三部分組成，有時還加上輔助電源。按國家標(biāo)準(zhǔn)（GB7665-2005）對傳感器的定義為：能感受被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。人類五官延伸——人與機器的對應(yīng)關(guān)系1.1傳感器的概念傳感器是把非電學(xué)物理量（如位移、速度、1.2傳感器的基本組成及檢測原理敏感元件是指傳感器中能直接感受或響應(yīng)被測量的部分，它直接感受被測非電學(xué)量，輸出與被輸出有確定對應(yīng)關(guān)系的，轉(zhuǎn)換元件所能接受的其他物理量，如膜片或膜盒把被測壓力變成位移量。敏感元件是傳感器的核心。1.2傳感器的基本組成及檢測原理敏感元件是指傳感器中能1.2傳感器的基本組成及檢測原理需要指出，并不是所有的傳感器都能明顯地區(qū)分敏感元件和轉(zhuǎn)換元件兩部分，有些傳感器轉(zhuǎn)換元件不止一個，有些傳感器（如熱電偶）將敏感元件和轉(zhuǎn)換元件合為一體。測量電路是將轉(zhuǎn)換元件輸出的信號進一步地轉(zhuǎn)換和處理，如放大、濾波、線性化、補償?shù)?，以獲得更好的品質(zhì)特性。1.2傳感器的基本組成及檢測原理需要指出，并不是所有的1.2傳感器的基本組成及檢測原理電源是可選項，主要負(fù)責(zé)為敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和測量電路供電。無源型是最簡單、最基本的傳感器構(gòu)成形式，它只由敏感元件單獨組成。輸入量多為力學(xué)量（力、濕度、速度、加速度），輸出量一般是電學(xué)量。最大特點是還需要外接電源，其敏感元件能夠從被測對象直接獲取能量，并將能量轉(zhuǎn)換為電量，但一般輸出量較弱，如熱電偶傳感器、壓力傳感器等通常是無源傳感器。1.2傳感器的基本組成及檢測原理電源是可選項，主要負(fù)責(zé)1.2傳感器的基本組成及檢測原理有源型通常建立在無源型的基礎(chǔ)上，它與無源型的不同之處在于為了確保敏感元件的工作點穩(wěn)定，使用了輔助能源。輔助能源主要起激勵作用，它既可以是電源，也可以是磁源。有源傳感器的特點是，不需要測量電路即可有較大的電量輸出，如光電管、光敏二極管、霍爾傳感器等。1.2傳感器的基本組成及檢測原理有源型通常建立在無源型1.3常用傳感器的工作特點和應(yīng)用傳統(tǒng)傳感器的局限性網(wǎng)絡(luò)化、智能化的程度十分有限，缺少有效的數(shù)據(jù)處理與信息共享能力現(xiàn)代傳感器特點：微型化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化典型代表：無線傳感節(jié)點1.3常用傳感器的工作特點和應(yīng)用傳統(tǒng)傳感器的局限性1.3常用傳感器的工作特點和應(yīng)用1.溫度傳感器熱敏電阻主要是利用各種材料電阻率的溫度敏感性，根據(jù)材料的不同，熱敏電阻可以用于設(shè)備的過熱保護，以及溫控報警等等。半導(dǎo)體溫度傳感器利用半導(dǎo)體器件的溫度敏感性來測量溫度，具有成本低廉，線性度好等優(yōu)點。1.3常用傳感器的工作特點和應(yīng)用1.溫度傳感器1.3常用傳感器的工作特點和應(yīng)用溫差電偶則是利用溫差電現(xiàn)象，把被測端的溫度轉(zhuǎn)化為電壓和電流的變化；由不同金屬材料構(gòu)成的溫差電偶，能夠在比較大的范圍內(nèi)測量溫度，例如-200℃~2000℃。1.3常用傳感器的工作特點和應(yīng)用溫差電偶則是利用溫差電現(xiàn)1.3常用傳感器的工作特點和應(yīng)用2.光傳感器光傳感器可以分為光敏電阻以及光電傳感器兩個大類。光敏電阻主要利用各種材料的電阻率的光敏感性來進行光探測。1.3常用傳感器的工作特點和應(yīng)用2.光傳感器1.3常用傳感器的工作特點和應(yīng)用2.光傳感器光電傳感器主要包括光敏二極管和光敏三極管，這兩種器件都是利用半導(dǎo)體器件對光照的敏感性。光敏二極管的反向飽和電流在光照的作用下會顯著變大，而光敏三極管在光照時其集電極、發(fā)射極導(dǎo)通，類似于受光照控制的開關(guān)。此外，為方便使用，市場上出現(xiàn)了把光敏二極管和光敏三極管與后續(xù)信號處理電路制作成一個芯片的集成光傳感器。光敏電阻結(jié)構(gòu)圖與實物光敏三極管集成光傳感器1.3常用傳感器的工作特點和應(yīng)用2.光傳感器光敏電阻結(jié)構(gòu)1.3常用傳感器的工作特點和應(yīng)用3.壓力傳感器壓力傳感器是通過測量目標(biāo)沿地面所產(chǎn)生的壓力變化來發(fā)現(xiàn)和測定目標(biāo)的偵察設(shè)備。其種類有：應(yīng)變鋼絲傳感器、平衡壓力傳感器、振動/磁性電纜傳感器、駐極體電纜和光纖壓力傳感器等。常見的壓力傳感器在受到外部壓力時會產(chǎn)生一定的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變形或位移，進而轉(zhuǎn)化為電特性的改變，產(chǎn)生相應(yīng)的電信號。1.3常用傳感器的工作特點和應(yīng)用3.壓力傳感器1.3常用傳感器的工作特點和應(yīng)用Honeywell24PC壓力傳感器及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)一種車用電容式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖及實物圖1.3常用傳感器的工作特點和應(yīng)用Honeywell241.3常用傳感器的工作特點和應(yīng)用4.濕度傳感器濕度傳感器主要包括電阻式和電容式兩個類別。電阻式濕度傳感器也稱為濕敏電阻，利用氯化鋰、碳、陶瓷等材料的電阻率的濕度敏感性來探測濕度。電容式濕度傳感器也稱為濕敏電容，利用材料的介電系數(shù)的濕度敏感性來探測濕度。1.3常用傳感器的工作特點和應(yīng)用4.濕度傳感器1.3常用傳感器的工作特點和應(yīng)用4.濕度傳感器一種電阻式陶瓷濕敏傳感器結(jié)構(gòu)圖一種電容式濕敏傳感器結(jié)構(gòu)圖幾種濕度傳感器1.3常用傳感器的工作特點和應(yīng)用4.濕度傳感器一種電阻式1.3常用傳感器的工作特點和應(yīng)用5.霍爾（磁性）傳感器霍爾傳感器是利用霍爾效應(yīng)制成的一種磁性傳感器?；魻栃?yīng)是指：把一個金屬或者半導(dǎo)體材料薄片置于磁場中，當(dāng)有電流流過時，由于形成電流的電子在磁場中運動而受到磁場的作用力，會使得材料中產(chǎn)生與電流方向垂直的電壓差。可以通過測量霍爾傳感器所產(chǎn)生的電壓的大小來計算磁場的強度。1.3常用傳感器的工作特點和應(yīng)用5.霍爾（磁性）傳感器1.3常用傳感器的工作特點和應(yīng)用霍爾效應(yīng)1.3常用傳感器的工作特點和應(yīng)用霍爾效應(yīng)1.3常用傳感器的工作特點和應(yīng)用霍爾傳感器結(jié)合不同的結(jié)構(gòu)，能夠間接測量電流、振動、位移、速度、加速度、轉(zhuǎn)速等等，具有廣泛的應(yīng)用價值。1.3常用傳感器的工作特點和應(yīng)用霍爾傳感器結(jié)合不同的結(jié)構(gòu)1.3常用傳感器的工作特點和應(yīng)用各種霍爾傳感器1.3常用傳感器的工作特點和應(yīng)用各種霍爾傳感器1.3常用傳感器的工作特點和應(yīng)用6.圖像傳感器——CCD電荷耦合器件工作特點CCD（ChargeCoupledDevice）是電荷藕合器件圖像傳感器。它使用一種高感光度的半導(dǎo)體材料制成，能把光線轉(zhuǎn)變成電荷，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，數(shù)字信號經(jīng)過壓縮以后由相機內(nèi)部的閃速存儲器或內(nèi)置硬盤卡保存，因而可以輕而易舉地把數(shù)據(jù)傳輸給計算機，并借助于計算機的處理手段，根據(jù)需要和想像來修改圖像。CCD由許多感光單位組成，通常以百萬像素為單位。1.3常用傳感器的工作特點和應(yīng)用6.圖像傳感器——CCD1.3常用傳感器的工作特點和應(yīng)用當(dāng)CCD表面受到光線照射時，每個感光單位會將電荷反映在組件上，所有的感光單位所產(chǎn)生的信號加在一起，就構(gòu)成了一幅完整的畫面。CCD和傳統(tǒng)底片相比，CCD更接近于人眼對視覺的工作方式。只不過，人眼的視網(wǎng)膜是由負(fù)責(zé)光強度感應(yīng)的桿細胞和色彩感應(yīng)的錐細胞，分工合作組成視覺感應(yīng)。CCD經(jīng)過長達35年的發(fā)展，大致的形狀和運作方式都已經(jīng)定型。CCD的組成主要是由一個類似馬賽克的網(wǎng)格、聚光鏡片以及墊于最底下的電子線路矩陣所組成。1.3常用傳感器的工作特點和應(yīng)用當(dāng)CCD表面受到光線照1.3常用傳感器的工作特點和應(yīng)用目前數(shù)碼相機的核心成像部件有兩種：一種是廣泛使用的CCD（電荷藕合）元件；另一種是CMOS（互補金屬氧化物導(dǎo)體）器件。1.3常用傳感器的工作特點和應(yīng)用目前數(shù)碼相機的核心成像部1.3常用傳感器的工作特點和應(yīng)用7.無線傳感器應(yīng)用典型案例2002年，由英特爾的研究小組和加州大學(xué)伯克利分校以及巴港大西洋大學(xué)的科學(xué)家把無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于監(jiān)視大鴨島海鳥的棲息情況。研究人員采用包括光、濕度、氣壓計、紅外傳感器、攝像頭在內(nèi)的近10種傳感器類型數(shù)百個節(jié)點，系統(tǒng)通過自組織無線網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)到傳輸?shù)?00英尺外的基站計算機內(nèi)，再由此經(jīng)衛(wèi)星傳輸至加州的服務(wù)器。在那之后，全球的研究人員都可以通過互聯(lián)網(wǎng)察看該地區(qū)各個節(jié)點的數(shù)據(jù)，掌握第一手的環(huán)境資料，為生態(tài)環(huán)境研究者提供了一個極為有效便利的平臺。大鴨島生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)1.3常用傳感器的工作特點和應(yīng)用7.無線傳感器應(yīng)用典型案1.4智能檢測系統(tǒng)1.4.1智能檢測系統(tǒng)的組成及特征智能傳感器（smartsensor）是一種具有一定信息處理能力的傳感器，目前多采用把傳統(tǒng)的傳感器與微處理器結(jié)合的方式來制造。智能傳感器組成1.4智能檢測系統(tǒng)1.4.1智能檢測系統(tǒng)的組成及特征智1.4智能檢測系統(tǒng)1.4.1智能檢測系統(tǒng)的組成及特征上圖所示，在傳統(tǒng)的傳感器構(gòu)成的應(yīng)用系統(tǒng)中，傳感器所采集的信號通常要傳輸?shù)较到y(tǒng)中的主機中進行分析處理；而由智能傳感器構(gòu)成的應(yīng)用系統(tǒng)中，其包含的微處理器MCU（MicroControllerUnit，單片微型計算機）能夠?qū)Σ杉男盘栠M行分析處理，然后把處理結(jié)果發(fā)送給系統(tǒng)中的主機。智能傳感器能夠顯著減小傳感器與主機之間的通信量，并簡化了主機軟件的復(fù)雜程度，使得包含多種不同類別的傳感器應(yīng)用系統(tǒng)易于實現(xiàn)；此外，智能傳感器常常還能進行自檢、診斷和校正。1.4智能檢測系統(tǒng)1.4.1智能檢測系統(tǒng)的組成及特征1.4智能檢測系統(tǒng)1.4.2常用智能檢測系統(tǒng)的設(shè)計1.智能壓力傳感器圖中顯示的是Honeywell（美國霍尼韋爾）公司開發(fā)的PPT系列智能壓力傳感器的外形以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)。PPT系列智能壓力傳感器傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)1.4智能檢測系統(tǒng)1.4.2常用智能檢測系統(tǒng)的設(shè)計PP1.4智能檢測系統(tǒng)2.智能溫濕度傳感器圖中顯示的是Sensirion（瑞士盛世瑞恩）公司推出的SHT11/15溫濕度智能傳感器的外形、引腳以及內(nèi)部框圖。1.4智能檢測系統(tǒng)2.智能溫濕度傳感器1.4智能檢測系統(tǒng)3.智能液體渾濁度傳感器圖中顯示的是Honeywell公司推出的AMPS-10G型智能液體渾濁度傳感器的外形、測量原理以及內(nèi)部框圖。1.4智能檢測系統(tǒng)3.智能液體渾濁度傳感器1.4智能檢測系統(tǒng)智能傳感器的結(jié)構(gòu)可以是集成的，也可以是分離式，按結(jié)構(gòu)可以分為集成式、混合式和模塊式三種形式。集成智能傳感器是將一個或多個敏感元件與微處理器、信號處理電路集成在同一個硅片上，集成度高、體積小。這種集成的傳感器在目前的技術(shù)水平下還很難實現(xiàn)。將傳感器和微處理器、信號處理電路做在不同的芯片上，則構(gòu)成混合式的智能傳感器（HybridSmartSensor），目前這種結(jié)構(gòu)比較多。初級的智能傳感器也可以由許多相互獨立的模塊組成，如將微處理器、信號調(diào)理電路模塊、輸出電路模塊、顯示電路模塊和傳感器裝配在同一殼體內(nèi)，體積較大，但在目前的技術(shù)水平下，仍不失為一種實用的結(jié)構(gòu)形式。1.4智能檢測系統(tǒng)智能傳感器的結(jié)構(gòu)可以是集成的，也可以是1.5MEMS技術(shù)微機電系統(tǒng)的英文名稱是MicroElectroMechanicalSystems，簡稱MEMS，是一種由微電子、微機械部件構(gòu)成的微型器件，多采用半導(dǎo)體工藝加工。概念始于20世紀(jì)80年代末。它一般泛指特征尺度在亞微米毫米范圍的裝置。MEMS是由微加工技術(shù)制備，特征結(jié)構(gòu)在微米尺度（1μm~0.1mm范圍）的，集成有微傳感器、微致動器、微電子信號處理與控制電路等部件的微型系統(tǒng)。其中微傳感器獲取外部信息，微電子信號處理與控制電路處理信息并作出決策，微致動器執(zhí)行決策。1.5MEMS技術(shù)微機電系統(tǒng)的英文名稱是MicroE1.5MEMS技術(shù)

MEMS技術(shù)是一種全新的，必須同時考慮多種物理場混合作用的研發(fā)領(lǐng)域。完整的MEMS是由微傳感器、微執(zhí)行器、信號處理和控制電路、通信接口和電源等部件組成的一體化的微型器件系統(tǒng)。其目標(biāo)是把信息的獲取、處理和執(zhí)行集成在一起，組成具有多功能的微型系統(tǒng)，并集成于大尺寸系統(tǒng)中，從而大幅度地提高系統(tǒng)的自動化、智能化和可靠性水平。1.5MEMS技術(shù)MEMS技術(shù)是一種全新的，必須同時考1.5MEMS技術(shù)

1.5.1MEMS特點及應(yīng)用由于MEMS的體積小、集成度高、功能靈活而強大，使人類的操作、加工能力延伸到微米級空間。系統(tǒng)具有微小的質(zhì)量和消為耗，微小的尺寸，通常還為MEMS器件帶來更高的靈敏度和更好的動態(tài)特性。80%以上的MEMS采用硅微工藝進行制作，使其具有大批量生產(chǎn)模式，制造成本因而得以大大降低。在單一芯片內(nèi)實現(xiàn)機電集成也是MEMS獨有的特點。1.5MEMS技術(shù)1.5.1MEMS特點及應(yīng)用1.5MEMS技術(shù)

1.5.1MEMS特點及應(yīng)用基于MEMS技術(shù)制作的微傳感器、微執(zhí)行器、微型構(gòu)件、微機械光學(xué)器件、真空微電子器件、電力電子器件等在航空、航天、汽車、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)控、軍事以及幾乎人們所接觸到的所有領(lǐng)域中都有著十分廣闊的應(yīng)用前景。MEMS技術(shù)正發(fā)展成為一個巨大的產(chǎn)業(yè)，就像近20年來微電子產(chǎn)業(yè)和計算機產(chǎn)業(yè)給人類帶來的巨大變化一樣，MEMS也